Sintetización y uso de un material catalítico basado en pumita que puede ser utilizado como catalizador heterogéneo para la reacción de transesterificación y que permite obtener ésteres metílicos de ácidos grasos,

biodiesel, a bajas temperaturas a partir de aceites vegetales y aceites usados en fritura.

Catalizador heterogéneo para la reacción de transesterificación de aceites vegetales.

Sector de la técnica

La invención se encuentra dentro del campo de la Ingeniería Química, concretamente está relacionada con procesos catalíticos para la obtención de biocombustibles. La presente invención se refiere a la modificación química del material natural pumita y su uso como catalizador de la reacción de transesterificación de aceites vegetales y aceites usados de fritura.

Estado de la técnica

La progresiva disminución de las reservas de combustibles fósiles y los problemas medioambientales asociados a su combustión han obligado a la búsqueda de nuevas alternativas energéticas. De todos los biocarburantes que se pueden utilizar como sustitutos del gasóleo o diésel, los ésteres metílicos de ácidos grasos derivados de lípidos renovables tales como aceites de origen vegetal, denominados “biodiésel”, son los más adecuados técnica y económicamente, principalmente porque presenta características muy parecidas a las del gasóleo de origen fósil.

El biodiésel puede obtenerse a partir de una gran variedad de materias primas. Cualquier materia que contenga triglicéridos puede utilizarse para su producción. Los aceites vegetales que se extraen de las semillas de las plantas oleaginosas son los más empleados, también es posible obtenerlo a partir de residuos de aceites vegetales usados en fritura, llevando a cabo con ello la eliminación de un residuo así como la valorización energética del mismo.

Existen diferentes técnicas para obtener, a partir de aceites vegetales o sus residuos, un combustible apto para ser utilizado en los motores diésel comunes sin problemas operacionales tales como la aparición de depósitos en el motor: pirólisis, microemulsión, dilución y transesterificación. La transesterificación es el método más común y es la única reacción a partir de la cual se obtienen los alquil ésteres de aceites y grasas o biodiésel.

La transesterificación consiste en la reacción de moléculas de triglicéridos con alcoholes de bajo peso molecular (metanol, etanol, propanol, butanol) para producir los ésteres y glicerina como subproducto. Normalmente, el metanol es el alcohol preferido para la producción de biodiésel debido a su bajo coste y disponibilidad. La glicerina es un subproducto altamente valorado, después de su purificación puede ser utilizada en múltiples usos de la industria farmacéutica y cosmética, donde cuenta con una gran demanda.

La transesterificación de los triglicéridos puede ser realizada mediante diferentes procesos catalíticos: catálisis homogénea (ácida y básica) , catálisis heterogénea y catálisis enzimática. En la catálisis homogénea, el catalizador está disuelto en el alcohol y se adiciona al aceite para llevar a cabo la reacción, en el caso de la catálisis heterogénea el catalizador es un sólido que se adiciona a las fases líquidas de los reactivos: alcohol y aceite.

El proceso comercial de obtención de biodiésel por catálisis homogénea se lleva a cabo en discontinuo y presenta problemas de separación de productos, contaminación de los mismos, generación de residuos, etc. Por tanto, resulta de interés su sustitución por un proceso con catálisis heterogénea que se pueda implementar en reactores de funcionamiento en continuo y que presente menos problemas de pureza de los productos obtenidos y de residuos, tanto desde el punto de vista económico como medio ambiental.

Hasta el momento se conocen algunos materiales sólidos que catalizan la reacción de transesterificación, pero todavía es necesario desarrollar un buen catalizador que permita realizar la reacción a temperatura no muy elevada.

Han sido probados variados catalizadores heterogéneos en la transesterificación de aceites vegetales, consiguiendo buenos rendimientos, únicamente, cuando se trabaja a elevadas temperaturas (García y cols., 2008; Hameed y cols., 2009; Lam y cols., 2009; Yan y cols., 2009) . Algunos investigadores han conseguido altos rendimientos a bajas temperaturas (Arzamendi y cols., 2007; Seshu y cols., 2008; Vyas y cols., 2009; Wen y cols., 2010) , pero empleando sólidos en forma de polvo; por lo que impediría escalar los resultados a un sistema industrial debido a la gran pérdida de carga que éstos producen cuando se trabaja con un reactor de lecho fijo.

La presente invención contempla un procedimiento para la modificación de un sólido catalítico natural y barato, como es la pumita, que permite obtener ésteres metílicos de ácidos grasos (biodiésel) a bajas temperaturas mediante la reacción de transesterificación utilizando aceites vegetales y/o aceites usados en fritura como reactivos o materia prima. Los altos rendimientos de biodiésel obtenidos mediante la reacción de transesterificación trabajando a bajas temperaturas indican la eficacia del nuevo sólido catalítico sintetizado. El sólido catalítico de la presente invención se encuentra en forma de partículas con lo que permitiría su uso en reactores de lecho fijo que funcionen en continuo para llevar a cabo la reacción de transesterificación. De esta forma se consiguen diferentes ventajas respecto al proceso homogéneo como que el catalizador se puede separar fácilmente de los productos de reacción, se puede reutilizar, se ahorra disolvente ya que no es necesario utilizar disolvente (agua) para eliminar restos del catalizador del producto biodiésel obtenido, permite llevar a cabo la reacción a temperaturas inferiores al proceso homogéneo, permite obtener biodiésel a partir de aceites de fritura que contienen gran cantidad de ácidos grasos libres que impiden su utilización como alimentación de los actuales procesos en fase homogénea. Indirectamente su utilización proporciona un proceso de eliminación o reutilización de estos residuos contaminantes.

Referencias citadas

- Robalino, C.S. Elaboración de un manual de operación de un reactor experimental de transesterificación para la obtención de biodiésel proveniente de aceite vegetal, Tesis de Grado, Escuela Superior Politécnica del Litoral, Guayaquil-Ecuador, 2009.

- Vyas, A.P.; Verman, J.L:, Subrahmanyam, N. A review on FAME production processes, Fuel 89, 1-9, 2010.

- Al-Widyan, M.I.; Al-Shyoukh, A.O. Experimental evaluation of the transesterification of waste palm oil into biodiesel, Bioresource Technology 85, 253-256, 2002.

- Freedman, B.; Pr y de, E.H.; Mounts, T.L. Variables affecting the yields of fatty esters from transesterification vegetable oils, Journal of American Oil Chemical Society 61, 1638-1643, 1984.

- Yong, W.; Shiyi, O.; Pengzhan, L.; Feng, X.; Shuze, T. Comparison of two different processes to synthesize biodiesel by waste cooking oil, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 252, 107-112, 2006.

- Lotero, E.; Liu, Y.; López, D.E; Suwannakarn, K.; Bruce, D.A.; Goodwin, J.G. Synthesis of biodiesel via acid catalysis, Industrial and Engineering Chemistr y Research 44, 5353-5363, 2005.

- Serio, M.D.; Tesser, R.; Pengmei, L.; Santacesaria, E. Heterogeneous catalysts for biodiesel production, Energy and Fuels 22, 207-217, 2008.

- López, D.E.; Goodwin, J.J.G.; Bruce, D.A.; Lotero, E. Transesterification of triacetin with methanol on solid acid and base catalysts, Applied Catalysis A: General 295, 97-105, 2005.

- Al-Zuhair, S. Production of biodiesel: possibilities and challenges, Biofuels Bioproducts and Biorefining 1, 5766, 2007.

Descripción de la invención

La presente invención se refiere a la sintetización y uso de un material catalítico basado en pumita, material natural de origen volcánico, modificado con potasio, pumita modificada, con actividad catalítica para la reacción de transesterificación de aceites vegetales y aceites usados de fritura para la obtención de biodiésel. Se trata de un catalizador heterogéneo que permite mejorar el actual proceso con catalizador en fase homogénea de obtención de biodiésel a partir de aceites vegetales tanto limpios como aceites usados.

El procedimiento de síntesis o modificación del material catalítico de la invención comprende las siguientes etapas:

a) Secado de las partículas de pumita con el fin de eliminar la posible agua adsorbida en la superficie del sólido.

1. Procedimiento de síntesis para la modificación de la pumita o cualquier sólido natural de similar características que pueda ser utilizado como catalizador heterogéneo de la reacción de transesterificcación y que permite obtener ésteres metílicos de ácidos grasos (biodiésel) a bajas temperaturas a partir de aceites vegetales y aceites usados en fritura y que comprende las siguientes etapas:

a) Secado de partículas de pumita para eliminar la posible agua adsorbida en la superficie del sólido.

b) Intercambio iónico de las partículas con una disolución acuosa de KOH en una concentración comprendida entre 0.25My4M.

c) Eliminación del líquido sobrenadante.

d) Secado de las partículas resultantes.

2. Uso del sólido catalítico obtenido según reivindicación 1 para llevar a cabo la reacción de transesterificación para obtener biodiésel a partir de aceites vegetales.

3. Uso del sólido catalítico obtenido según reivindicación 1 para llevar a cabo la reacción de transesterificación para obtener biodiésel a partir de aceites residuales de fritura.